ультразвуковой способ измерения уровня сред в резервуаре с плоскими параллельными стенками

Формула изобретения

Ультразвуковой способ измерения уровня сред в резервуаре с плоскими параллельными стенками, содержащий первый и второй разнесенные во времени циклы измерений, каждый из которых включает излучение ультразвуковых импульсов под углом отличным от прямого к поверхности раздела сред через стенку резервуара в направлении противоположной стенки, в котором присутствует отраженный от поверхности раздела сред ультразвуковой импульс, прием отраженных от поверхности раздела сред ультразвуковых импульсов и определение интервалов t_1,2 между моментами излучения ультразвуковых импульсов и приема отраженных ультразвуковых импульсов, по разнице между которыми в первом и втором циклах измерений определяют высоту уровня Н, отличающийся тем, что в первом и втором цикле измерений излучение ультразвуковых импульсов производят в одной точке на наружной поверхности стенки резервуара под разными углами ₁ и ₂ к поверхности раздела сред, где _{1 2}, высоту уровня Н определяют по формуле

где h - расстояние между плоскими параллельными стенками резервуара;

c₁ и с₂ - скорости звука в материале стенки резервуара и в контролируемой среде соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к измерению уровня жидких и сыпучих веществ, и может быть использовано в химической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен ультразвуковой способ измерения уровня в резервуаре, включающий излучение ультразвуковых импульсов через стенку резервуара, прием переотраженных противоположной стенкой ультразвуковых импульсов преобразователями на разных уровнях и измерение амплитуды принятых сигналов, а высоту уровня определяют по величине ослабления сигнала в резервуаре [1].

Недостатком известного способа является малая точность.

Недостаток известного способа объясняется тем, что в условиях многократных переотражений от стенок величина ослабления сигнала неоднозначно связана с уровнем сред в резервуаре.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ультразвуковой способ измерения уровня сред в резервуаре с плоскими параллельными стенками [2], содержащий первый и второй разнесенные во времени циклы измерений, каждый из которых включает излучение ультразвуковых импульсов под углом, отличным от прямого, к поверхности раздела сред через стенку резервуара в направлении противоположной стенки, прием отраженных от поверхности раздела сред ультразвуковых импульсов и определение интервалов времени t_1,2 между моментами излучения ультразвуковых импульсов и приема отраженных ультразвуковых импульсов, по разнице между которыми в первом и втором циклах измерений определяют высоту уровня Н. При этом в первом и втором циклах измерений излучение и прием импульсов осуществляют в двух последовательных по вертикали положениях источника импульсов при постоянном угле, в которых наличествует отраженный от поверхности раздела сред ультразвуковой импульс, а высоту уровня Н определяют по формуле

где x - расстояние между двумя положениями источника ультразвуковых импульсов по вертикали;

t - время между моментами излучения и приема ультразвуковых импульсов в одном из положений;

t - разница во времени между моментами излучения и приема в двух положениях источника излучения.

Недостатком известного способа является ограниченная область применения.

Недостаток известного способа объясняется следующим образом. Для его реализации необходимо перемещение источника импульсов по вертикали по стенке резервуара. Однако, в тех случаях, когда резервуар частично покрыт теплоизоляцией, на его стенке имеется арматура, элементы крепления и т.д., перемещение источника излучения невозможно.

Задачей изобретения является расширение области применения способа.

Для решения поставленной задачи в известный ультразвуковой способ измерения уровня сред в резервуаре с плоскими параллельными стенками, содержащий первый и второй разнесенные во времени циклы измерений, каждый из которых включает излучение ультразвуковых импульсов под углом, отличным от прямого, к поверхности раздела сред через стенку резервуара в направлении противоположной стенки, в котором присутствует отраженный от поверхности раздела сред сигнал, прием отраженных от поверхности раздела сред ультразвуковых импульсов и определение интервалов времени t_1,2 между моментами излучения ультразвуковых импульсов и приема отраженных ультразвуковых импульсов в первом и втором циклах измерений, по разнице между которыми в первом и втором циклах измерений определяют высоту уровня - Н, введены новые признаки, а именно, в первом и втором циклах измерений излучение и прием ультразвуковых импульсов производят в одной точке на наружной поверхности стенки резервуара под разными углами ₁ и ₂ к поверхности раздела сред, _{1 2}, а высоту уровня Н определяют по формуле

где h - расстояние между стенками резервуара;

c ₁ и с₂ - скорости звука в материале стенки резервуара и в контролируемой среде, соответственно.

Техническим результатом от использования изобретения является расширение области применения способа, в частности, возможность его применения в тех случаях, когда установка источника импульсов на стенке резервуара возможна только на одном уровне, а его перемещение невозможно.

Указанный технический результат достигается за счет изменения угла к поверхности , под которым осуществляют излучение и прием ультразвуковых импульсов.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ, на фиг.2 - геометрия распространения ультразвуковых импульсов в резервуаре.

Устройство содержит ультразвуковую приемоизлучающую головку 1, коммутатор приема-передачи 2, усилитель мощности 3, задающий генератор 4, входной усилитель 5, устройство синхронизации и управления 6, блок вычисления и индикации 7. Приемоизлучающая головка 1 устанавливается на стенке резервуара 8 с контролируемой средой (например, жидкостью) 9 (Фиг.2). Ультразвуковая головка 1 представляет собой остронаправленный пьезоэлектрический преобразователь, снабженный прижимным устройством [3].

Реализация предложенного способа с помощью устройства (фиг.1) осуществляется следующим образом. При помощи устройства синхронизации и управления 6 задающий генератор 4 вырабатывает импульс заданной длительности и частоты, который усиливается усилителем мощности 3 и через коммутатор приема-передачи 2, отключающий на время излучения входной усилитель 5 от ультразвуковой приемоизлучающей головки 1, подается на приемоизлучающую головку 1. При помощи ультразвуковой приемоизлучающей головки 1 производят излучение ультразвукового импульса через стенку резервуара 8 в контролируемую среду 9 в направлении противоположной стенки 10 под отличным от прямого углом к границе раздела сред, в рассматриваемом примере: сред жидкость-газ 11. Последнее обеспечивается, например, при помощи электронного сканирования характеристики направленности ультразвуковой приемоизлучающей головки, реализуемой при помощи устройства синхронизации и управления 6 (Фиг.1). Ультразвуковые импульсы преломляются на границе раздела стенка резервуара 8 - контролируемая среда 9 в соответствии с известным законом [4]

где c₁ и c₂ - скорость звука в материале стенки и контролируемой среды соответственно.

Изменяя угол сканирования, добиваются такой величины угла = ₁, при которой излученный ультразвуковой импульс 12, многократно переотразившись от параллельных стенок резервуара 10 и 8 и поверхности раздела контролируемая среда (в данном примере - жидкость) - газ 11, приходит в точку расположения источника излучения (приема). Это происходит в том случае, если излученный ультразвуковой импульс попадает в вершину двугранного угла, образованного границей раздела рабочая среда - жидкость и стенкой резервуара. Переотраженный ультразвуковой импульс, принятый ультразвуковой приемоизлучающей головкой 1, преобразуется в электрический сигнал, который усиливается входным усилителем 5, подается на блок вычисления и индикации 7, в котором производится измерение времени t ₁ между моментами излучения и приема. После чего проводят второй цикл измерений, для чего сохраняя точку ввода ультразвукового импульса на наружной поверхности резервуара, изменяют при помощи электронного сканирования характеристики направленности ультразвуковой головки угол до положения ₂, в котором снова принимаются отраженные от границы раздела ультразвуковые импульсы 13 (Фиг.2), фиксируют угол ₂, повторяют процесс измерений.

В связи с тем, что отражение ультразвуковых импульсов происходит в соответствии с законами геометрической акустики, а стенки резервуара 8 и 10 параллельны, в точку установки акустической головки 1 могут прийти только лучи, отразившиеся в точках А и А'. Расстояние, пройденное ультразвуковым импульсом, определяется числом переотражений и величиной гипотенузы прямоугольного треугольника BCD (или BC'D'). Если при первой величине угла ₁ число переотражений n, то при угле ₂ число переотражений уменьшается на единицу и становится равным n-1 (или наоборот).

Очевидно, что расстояния, пройденные импульсами в рабочей среде при первом и втором циклах измерений, равны соответственно

где n - количество отражений импульса от стенок сред при прохождении половины расстояния R₁.

Из соотношения (4) следует, что

Из геометрии задачи (Фиг.2) несложно показать, что

или

Вычисление расстояния Н производится в блоке вычисления и индикации 7.

В результате применения предлагаемого способа измерений отпадает необходимость перемещения акустической приемоизлучающей головки по поверхности резервуара для определения уровня контролируемой среды.

Источники информации

1. Патент РФ №2047844, кл. G 01 F 23/28.

2. Авторское свидетельство СССР №1030660, кл. G 01 F 23/28.

3. Свидетельство РФ на полезную модель №23988.

4. Тюрин А.М., Сташкевич А.П., Таранов Э.С. Основы гидроакустики. Л., "Судостроение", 1966, с.42-43.